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Einrichtung zur 1Vlessung von Wirkkomponenten In dem Hauptpatent ist
eine Einrichtung zur Messung der Wirkkomponente der Spannung oder des Stromes beschrieben,
bei der dem Meßinstrument eine Blindkomponente der zu messenden physikalischen Größe
(der Spannung oder des Stromes) von solchem Betrag zugeführt wird, daß der Zeigerausschlag
des Instrumentes zu einem Minimum wird. Dieser Minimalausschlag mißt genau die zu
bestimmende Wirkkomponente.
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Es ist nun nicht immer möglich, die dem Meßinstrument zuzuführende
veränderliche Komponente als eine reine Blindkomponente zu erhalten. Verwendet man
z. B. zur Erzeugung dieser Komponente einen Transformator mit Eisenkern - was besonders
bei Niederfrequenzanlagen zur Verkleinerung dieses Transformators und zur Verringerung
der primären Kupferverluste erwünscht sein kann -, so bedingen die Eisenverluste
des Transformators, daß die von ihm gelieferte veränderliche Komponente keine reine
Blindkomponente ist, sondern dieser gegenüber etwas in der Phase verschoben ist.
Der Einfluß dieser Phasenverschiebung ist im nachstehenden an Hand der Zeichnung
nach Fig. i und 2 näher erläutert.
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In Fig. i ist eine Einrichtung zur Messung der Spannungswirkkomponente
nach dem Hauptpatent wiedergegeben. Hier ist g ein Wechselstromgenerator, Il das
Voltmeter mit seinem Vorschaltwiderstand Wo und T ein Serientransformator,
dessen Primärwicklung S1 vom Anlagestrom durchflossen ist, dessen Sekundärwicklung
SZ bei der Messung der Wirkspannung mit dem Voltmeter in Reihe liegt und dessen
Kopplungsverhältnis in irgendeiner passenden Weise - am besten durch gegenseitige
Verdrehung seiner primären und sekundären Teile - geregelt werden kann. Ist der
Transformator praktisch verlustlos, so gestaltet sich die Messung der Wirkspannung
ohne Komplikationen. Die Spannungsverhältnisse sind für diesen Fall im vektoriellen
Diagramm (Fig. 2) durch voll ausgezogene Linien dargestellt. Hier bezeichnet der
Vektor 0A die Klemmenspannun Ek und der Vektor 0D den Anlagestrom
J.
Die zusätzliche veränderliche Spannung, die die sekundäre Transformatorwicklung
dem Voltmeter liefert, ist in diesem Fall praktisch eine reine Blindspannung und
verläuft senkrecht zum Stromvektor. Auf das Voltmeter wirkt somit eine veränderliche
resultierende Spannung AF. Erreicht die zusätzliche Spannung bei der passenden Einstellung
des Transformators den Wert AB,
so ist an das Voltmeter in diesem Moment nur
die durch den Vektor OB dargestellte Wirkspannung E", angelegt, und sein
Ausschlag ist ein Minimum.
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Wenn nun der Transformator T Eisenverluste besitzt, so steht die Spannung
der Wicklung S; nicht mehr in Quadratur mit dem Strom J, vielmehr ist sie gegenüber
der reinen Blindspannung AB um einen gewissen Verlustwinkel V verdreht, verläuft
also etwa in der Richtung SF'. Bei der Regelung des Transformators erhält nun das
Voltmeter einen Minimumausschlag OB", der aber nicht der wirklichen Größe
der Wirkspannung OB
entspricht, da ja der Winkel zwischen dieser Minimalspannung
und der Hypotenuse nicht mehr gq, sondern gegebenenfalls (cp + yp) ist. Könnte man
aber diese Hypotenuse gleichfalls um den Verlustwinkel y verschieben, so bekäme
man beim Minimumausschlag des Voltmeters ein Dreieck O' A B',
das dem Dr eieck O A B ähnlich ist, so daß der Minimalausschlag 0'B' dann
wieder zur Messung der Wirkspannung dienen könnte. Auf diese Erkenntnis gründet
sich nun die vorliegende Erfindung. Sie geht darauf hinaus, die beiden vektoriellen
Bestandteile der dem Meßapparat zugeführten vektoriellen Summe in gleichem Maße
zu verdrehen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Einrichtung nach der Erfindung in der
Verwendung für Wirkspannungsmessung ist in Fig. 3 dargestellt. Es wird angenommen,
daß hier der Transformator T Eisen besitzt, und daß dementsprechend seine sekundäre
Spannung gegenüber der reinen Blindkomponente um den Verlustwinkel y verschoben
ist. Um den schädlichen Einfluß dieser Verdrehung zu eliminieren, wird gemäß der
Erfindung der durch das Voltmeter von der Klemmenspannung Ek durchgetriebene Strom
gegen diese Spannung künstlich um denselben Winkel verdreht, um welchen der Stromteil
des Voltmeters, der von der zusätzlichen Spannung erzeugt ist, von der Blindspannung
der Phase nach abweicht. Zu diesem Zweck ist ein zweckmäßigerweise einstellbarer
Widerstand R parallel zum Voltmeter und der sekundärem-Wicklung S2 des Transformators
gelegt und in Reihe mit der so gebildeten Verzweigung noch ein weiterer einstellbarer
Widerstand W geschaltet. Es kann sich dabei unter Umständen empfehlen, den Vorschaltwiderstand
des Voltmeters zu verkleinern. Man wird dann, wenn die Anordnung einen Schalter
na besitzt, der bei der Stellung i das Voltmeter direkt an die Klemmenspannung
schaltet, den fortgelassenen Teil WZ des Voltmetervorschaltwiderstandes in die Zuführung
zum Schalterkontakt i legen. Dann ist in dieser Stellung der ganze Vorschaltwiderstand
des Voltmeters W1+ W2 eingeschaltet. Wenn man zur Messung der Wirkkomponente den
Schalter S in die Lage :2 umlegt, so verbleibt im Stromkreise des Voltmeters nur
noch der Vorschaltwiderstand W1, der durch den Ohmschen und induktiven Widerstand
der Sekundärwicklung S.. v erv ollständigt wird. Durch passende Einstellung der
Widerstände W und R hat man es immer in der Hand, die gewünschte Abgleichung in
der Verdrehung der Voltmeterströme einzustellen.
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Dabei muß man noch folgendes berücksichtigen Bei gewöhnlich gebräuchlichen,
nicht statischen Voltmetern ist der Ausschlag durch den Voltmeterstrom bedingt.
Ein Voltmeter ist eigentlich nichts anderes als ein Amperemeter mit großem Widerstand
für große Spannungen und kleine Ströme. In der Regel besitzen die Vorschaltwiderstände
eine verhältnismäßig kleine Selbstinduktion, so daß der Voltmeterstrom von seiner
Spannung in der Phase nicht wesentlich abweicht und daher. diese Spannung nach Größe
und Phase repräentieren kann. Wenn bei der Anordnung nach Fig. i mit verlustlosem
Transformator dem Voltmeter die vektorielle Summe der Spannungen Ek und EU zugeführt
wird,. so treibt jeder von diesen Spannungssummanden durch das Voltmeter je einen
entsprechenden Stromteil durch, wobei die beiden Stromkomponenten, da für sie die
Widerstände gleich sind, miteinander nach der Größe und Phase in demselben Verhältnis
stehen wie die sie durchtreibenden Spannungen.
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Bei der Anordnung nach Fig. 3 dagegen hat der Stromteil, der durch
das Voltmeter von der Klemmenspannung El, durchgetrieben ist, einen anderen Widerstand
zu überwinden als der Stromteil des Voltmeters, der von der zusätzlichen, durch
die Wicklung S@ gelieferten Transformatorspannung herrührt. Man muß also in diesem
Falle die Widerstände R und W so einstellen, daß der erstgenannte Stromteil gegenüber
der Klemmenspannung um denselben Winkel verdreht wird, wie der zweitgenannte Stromteil
gegenüber der wirklichen Blindkomponente verschoben ist. Dann werden die beiden
Stromteile in richtiger Weise die in Betracht kominenden
Spannungssummanden
repräsentieren. Wenn also der von der Sekundärspannung des Transformators durchgetriebene
Stromteil von dieser sekundären Spannung um einen Winkel x, also gegenüber der wirklichen
Blindkomponente um den Winkel (Z+ y) abweicht, so muß der durch die Klemmenspannung
Ek im Voltmeter erzeugte Teilstrom von seiner Spannung um denselben Winkel abweichen.
Um bei der Einstellung mehr Freiheit zu haben, kann man auch den VorschaltwiderstandWi
einstellbar machen oder im Zweige des Voltmeters noch einen regelbaren Ohmschen
oder induktiven Widerstand einschalten.
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Im allgemeinen liefert die beschriebene Korrektionsschaltung recht
genaueMeßresultate. Wenn auch der Verlustwinkel y sich mit dein Anlagestrom etwas
ändert, so ist doch seine absolute Größe im allgemeinen so klein, daß ihre Änderungen
nicht wesentlich ins Gewicht fallen. Man kann aber auch diese Änderungen des Verlustwinkels
yp berücksichtigen. Dies kann man z. B. dadurch erreichen, daß der Widerstand R
oder ein im Voltmeterkreis etwa befindlicher zusätzlicher Ohmscher oder induktiver
Regelungswiderstand entsprechend der Änderung des Anlagestromes eingestellt wird,
was entweder nach einer Tabelle oder durch irgendwelche passende automatische, in
Abhängigkeit vom Anlagestrom zwangsläufig wirkende Verstellungsvorrichtung bewirkt
werden kann.
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Noch besser ist es aber, einen anderen Weg, wie nachstehend angegeben,
einzuschlagen.
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Wenn die primäre Wicklung S, von dem Anlagestrom durchflossen wird,
so wächst beim Wachsen dieses Stromes auch die Eisensättigung und damit auch der
Verlustwinkel. Man könnte den Verlustwinkel dadurch möglichst unveränderlich machen,
daß man den Transformator so bemißt, daß sein Eisen bereits bei kleinen Werten des
Anlagestromes I gesättigt wird. Besser ist es jedoch, die Anordnung so zu treffen,
daß die primäre Amperewindungszahl des Transformators möglichst konstant bleibt.
Das kann man z. B. dadurch erreichen, daß man durch die Wicklung S1 nicht den Anlagestrom
J, sondern einen mit diesem phasengleichen, aber dem Betrag nach möglichst konstanten
Strom hindurchschickt. Dies kann mittels irgendeiner in der Wechselstromtechnik
üblichen Anordnung zur Erhaltung des konstanten Stromes bewerkstelligt werden.
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Bei dieser Methode ist die Eisensättigung konstant und infolgedessen
auch der Verlustwinkel.
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Den Eisentransformator T kann man mit Vorteil so ausführen, daß sein
beweglicher und fester Teil ähnlich wie Ständer und Läufer einer Maschine ausgeführt
ist, aber mit einem gegebenenfalls kleinen Luftspalt. Wenn seine primäre Arnperewindungszahl
in der oben beschriebenen Weise praktisch konstant gehalten wird, so ist seine sekundäre
Spannung in eindeutiger Weise vom Verdrehungswinkel seines Rotors abhängig, so daß
die Winkelverstellung des Rotors auch die Blindspannungskomponente messen kann oder
bei praktisch konstanter Klemmenspannung der Anlage auch den Phasenwinkel - zwischen
Strom und Spannung.